6任务六 瓦斯传感器及其设置与校正

任务六 瓦斯传感器及其设置与校正【主要内容】一、瓦斯传感器的分类和工作原理二、瓦斯传感器的设置位置三、煤矿安全监控系统简介四、实训与操作-瓦斯传感器的测试一、瓦斯传感器的分类和工作原理瓦斯传感器又称甲烷传感器，是矿井最常用的传感器之一，是煤矿安全监控系统中最重要且必须配备的检测设备。

主要用于监测煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度，它可以连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号并输送给关联设备，并具有即时显示瓦斯浓度值，超限声光报警等功能。

瓦斯传感器按其监测浓度范围可分低浓度、高浓度、高低浓度组合和全量程4种。

目前矿用传感器多为低浓度，如CJC4型煤矿用低浓度瓦斯传感器如图1-6-1所示。

瓦斯传感器按其工作原理可分为热催化式和热导式等，催化燃烧式主要用于低浓度甲烷的监测，热导式主要用于高浓度甲烷的监测。

(一)热催化式瓦斯传感器热催化式瓦斯传感器的工作原理是：传感元件(含敏感元件，以下同)表面的瓦斯(或可燃性气体)在催化剂的催化作用下，发生无焰燃烧、放出热量，使传感元件温度上升，测量元件可随自身温度的变化量测出瓦斯气体浓度。

在矿井安全监测监控系统装置中测量低浓度的瓦斯传感器主要采用载体催化元件。

载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件(俗称黑元件)和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)组成，如图1-6-2所示。

白元件与黑元件的结构尺寸完全相同，而白元件表面没有催化剂，仅起环境温度补偿作用。

（1）黑元件：由铂丝线圈Al 2O 3载体和表面的催化剂组成，如图1-6-2(a)所示。

其中铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需要的温度，使瓦斯气体燃烧放出的热量使其温度上升、电阻值变化；A12O 3载体用来固定铂丝线圈，增强元件的机械强度；涂在元件表面的铂(Pt)和钯(Pd)等重金属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。

图1-6-2 载体催化元件结构(a)带催化剂的传感元件(俗称黑元件)；(b)不带催化剂的补偿元件(俗称白元件)图1-6-1 低浓度瓦斯传感器（2）白元件：表面没有催化剂，甲烷不会在白元件表面燃烧。

白元件铂丝圈的电阻变化仅与环境温度有关，因而主要用于克服环境温度变化时对甲烷浓度测量的影响如图1-6-2(b)。

载体催化元件构成瓦斯传感器检测电桥电路，如图1-6-3所示：由于黑元件R 1与白元件R 2处于电桥的同一侧，当通过电流相等(不考虑电压测量电路的漏电流)时，瓦斯(可燃性气体)在新鲜空气中的浓度为零，其电阻值相等R 1＝R 2(不考虑由于制造过程中的结构差异)。

此时，电桥处于平衡状态，输出电压U AB ＝0。

若环境温度发生变化或通过黑白元件的电流发生变化时，由于白元件对环境温度变化的补偿作用，变化后的黑白元件电阻仍相等，电桥电路不会失去平衡。

当检测空气中的瓦斯浓度不为零时，吸附在黑元件表面的甲烷催化燃烧(在CH 4浓度小于9．5％的情况下，燃烧放出的热量与甲烷浓度成正比)，黑元件温度上升，铂丝电阻也随之增大△R 1。

此时，检测电桥电路失去平衡状态(R 1≠R 2，U AB ≠0)，并通过测量转换显示出所测定的甲烷浓度。

(二)热导式瓦斯传感器热导式瓦斯传感器是利用被测气体与纯净空气的热导率差异，以及混合气体热导率与浓度的关系，把瓦斯气体浓度变化量转变为相应电信号，从而检测出被测气体的甲烷浓度。

其测量电路如图1-6-4所示。

检测电桥电路由测量元件R 1、补偿元件R 2及固定电阻R 3、R 4共同构成。

测量元件置于被测气体连通的气室中，补偿元件置于密封的空气室中，但测量元件与补偿元件结构、形状、电参数完全相同。

当气室通入新鲜空气时，R 1＝R 2，电桥处于平衡状态，输出电压U AB ＝0；当气室通入甲烷空气混合气体时，由于甲烷空气混合气体的热导率大于新鲜空气的热导率，测量元件R l 传导出的热量大于补偿元件R 2，电桥失去平衡，输出电信号测量出CH 4浓度值。

热导式瓦斯传感器是利用甲烷气体的热导率大于新鲜空气的热导率，测量元件传导出 热量，致使电桥失去平衡，测定出被测气体的CH 4浓度。

则空气中瓦斯浓度微量变化时，很难通过瓦斯空气混合物热导率的变化测得。

因此，热导式瓦斯传感器主要用于测定高浓度瓦斯，如瓦斯抽放管道中CH 4浓度的测定和高瓦斯工作面CH 4浓度的测定等。

风电瓦斯闭锁装置中，把热导元件和载体催化元件合用，构成高低浓度瓦斯传感器，以保护催化元件免图1-6-4 气体热导式元件及检测电路(a)热导元件结构；(b)检测电桥电路图1-6-3 催化元件检测受高浓度瓦斯冲击。

(三)瓦斯闭锁装置1．组成瓦斯闭锁装置是指煤与瓦斯突出和瓦斯涌出较大、变化异常的采掘工作面中设置的甲烷断电仪。

其主要由甲烷传感器和甲烷断电仪(含电源)等组成。

（1）传感器甲烷传感器将被测甲烷浓度转换成电信号输出，送至断电器，并具有显示和声光报警等功能。

（2）瓦斯断电仪瓦斯断电仪接收传感器送来的电信号，与预置的断电和复电CH 4浓度比较后，控制被控开关断电或送电；同时，将交流电网的交流电能转换成本质安全型防爆直流电源向甲烷传感器供电。

为保证电网停电后甲烷断电仪正常工作，配备有不小于2 h 的蓄电池。

2．监控工作原理主机接收瓦斯传感器和风筒传感器送来的电信号，与预置的断电和复电浓度比较，当甲烷浓度达到或超过断电浓度时，切断被控区域全部非本质安全型电气设备电源并闭锁；当瓦斯浓度低于复电浓度时，可向被控区域供电。

主机同时具有将交流电网的交流电能转换成本质安全型防爆直流电源的功能，并向传感器供电，其备用蓄电池供电不小于2 h 。

二、瓦斯传感器的设置位置井下安装布置瓦斯传感器时，应根据瓦斯密度小于空气密度的性质，垂直悬挂在巷道顶板（顶梁）下，距顶板（顶梁）不大于300 mm ，距巷道侧壁不小于200 mm ；在有风筒的巷道中，严禁挂在风筒出口和风筒漏风处。

一般要求瓦斯传感器布置在巷道顶板坚固、无淋水、安装维护方便处，传感器设置的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围符合《规程》规定。

（一） 采煤工作面瓦斯传感器的设置位置采煤工作面是矿井瓦斯来源的主要区域，为能及时监测采煤工作面变化情况，必须根据瓦斯矿井安全管理规定设置传感器，进行采煤工作面瓦斯安全监测。

1. 低瓦斯矿井采煤工作面的瓦斯传感器应尽量靠近工作面设置，如图1-6-5所示。

其报警浓度为1.0% CH 4；断电浓度为1.5% CH 4；复电浓度为1.0% CH 4，断电范围为工作面及回风巷中全部非本质安全型电气设备。

2. 高瓦斯矿井采煤工作面瓦斯传感器的设置，如图1-6-6所示。

其中S 1 、S 2报警浓度均为1.0% CH 4；S 1断电浓度为1.5% CH 4，S 2断电浓度为为1.0% CH 4；S 1、S 2复电浓度均为为 图1-6-5 低瓦斯矿井采煤工作面瓦斯传感器的设置 S 1—设置在工作面回风流中的瓦斯传感器 图1-6-6 高瓦斯矿井采煤工作面瓦斯传感器的设置 S 1、S 2—设置在工作面回风流中的瓦斯传感器1.0% CH 4，断电范围S 1、S 2均为工作面及回风巷中全部非本质安全型电气设备。

3. 煤与瓦斯突出矿井采煤工作面瓦斯传感器的设置，如图1-6-7所示。

断电范围为进风巷、工作面和回风巷内的全部非本质安全型电气设备。

若工作面瓦斯传感器不能控制进风巷内全部非本质型安全电气设备，则必须在进风巷布置瓦斯传感器。

其中S 1、S 2报警浓度均为1.0% CH 4；S 1断电浓度为1.5% CH 4，S 2断电浓度为为1.0% CH4，S 1、S 2复电浓度均为为1.0% CH 4；S 3断电浓度为0.5% CH 4，S 3复电浓度为0.5%CH 4，断电范围S 3为工作面及进回风巷内全部非本质安全型电气设备。

需要注意的是：（1）采煤工作面采用串联通风时，被串联工作面的进风巷必须设置瓦斯传感器。

其报警浓度和断电浓度为0.5%，复电浓度为0.5%，断电范围为被串采煤工作面及其进回风巷内全部非本质安全型电气设备。

（2）装有矿井安全监控系统的采煤工作面，符合条件且经批准，回风巷风流中瓦斯浓度提高到1.5%时，回风巷（回风流）瓦斯传感器的报警浓度和断电浓度均为1.5%，复电浓度为1.5%。

（3）采煤工作面的采煤机应设置机载式瓦斯断电仪或便携式瓦斯检测报警器。

其报警浓度大为1.0%，断电浓度为1.5%，复电浓度为1.0%，断电范围为采煤机电源。

（二） 掘进工作面瓦斯传感器的设置位置 1．高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面瓦斯传感器按图1-6-8所示的设置。

其中S 1和S 2报警浓度均为1.0%；断电浓度S 1为1.5%，S 2为 1.0%；复电浓度S 1和S 2均为1.0%；断电范围S 1和S 2均为掘进巷道内全部非本质安全型电气设备。

低瓦斯矿井的掘进工作面可以不设S 2。

2.掘进工作面与掘进工作面串联通风时，被串掘进工作面增加瓦斯传感器S 3，如图1-6-9所示设置。

其S 3报警浓度和断电浓度0.5%；复电浓度为0.5%；断电范围为被串掘进巷道内全部非本质安全型电气设备。

掘进工作面的掘进机应设置机载式瓦斯断电仪或便携式瓦斯检侧报警器。

其报警浓度1.0%，断电浓度为1.5%，复电浓度为1.0%，断电范围为掘进机电源。

三、煤矿安全监测系统简介图1-6-7 煤与瓦斯突出矿井采煤工作面传感器设置S 1 –回采工作面风流中的瓦斯传感器S 2 –回采工作面回风流中的瓦斯传感器 S 3 –回采工作面进风流中的瓦斯传感器 图1-6-9 串联风掘进工作面传感器设置 S 3–被串联工作面风流中的瓦斯传感器 F-局部通风机图1-6-8 掘进工作面传感器设置S 1 -掘进工作面风流中的瓦斯传感器S 2 -掘进工作面回风流中的瓦斯传感器国务院颁布的《关于进一步加强企业安全生产工作的通知》( 国发[2010]23号）和国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局颁布的《关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统"的通知》要求：全国煤矿要安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备。

其中要求建设完善矿井监测监控系统，充分发挥其安全避险的预警作用。

煤矿安全监测系统由监测传感器、井下分站、信息传输系统和地面中心站（主站）等四部分组成。

如图1-6-10所示。

1.监测传感器：传感器是安全监测系统的感知部分，用来测量系统所需测量的量或判断设备、设施的状态部件。

煤矿生产中常见的传感器有：瓦斯、一氧化碳、氧气、温度、风速、压力、压差、烟雾及各种状态（开关）传感器。

2.井下分站：井下分站负责收集传感器传出的信号并进行处理，把监测参数传给中心站、接受中心站的控制命令、控制所并联的设备、设施。